一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法
【專利摘要】一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法，該電池隔膜包括多孔金屬材料，分別設(shè)置在多孔金屬材料上部和下部的一層上隔膜和一層下隔膜，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)；還包括使用時(shí)，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)的上部和下部設(shè)置的表面隔膜，所述上隔膜、下隔膜和表面隔膜均采用傳統(tǒng)的隔膜漿料制備而成；本發(fā)明還提供該電池隔膜的制備方法；該電池隔膜具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，有效解決了隔膜在組裝過程中的易破裂問題，減小熔融碳酸鹽燃料電池的組裝難度，另外還提高了隔膜的孔隙率，增加了電解質(zhì)的保有量，進(jìn)而增加了電池壽命。
【專利說明】一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熔融碳酸鹽燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，其最大特點(diǎn)是反應(yīng)過程不涉及燃燒，因此能量轉(zhuǎn)化效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，效率高達(dá)燃料電池工作時(shí)，氫氣或其他燃料輸入到陽極，并在電極和電解質(zhì)的界面上發(fā)生氫氣或其他燃料氧化與氧氣還原的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流，輸出電能。與火力發(fā)電方式相比，燃料電池的發(fā)電過程不經(jīng)過燃料的直接燃燒，CO、CO2、SO2、NOx及未燃盡的有害物質(zhì)排放量極低，是公認(rèn)的繼火電、水電和核電之后的第四種發(fā)電方式。因此，燃料電池是集能源、化工、材料與自動化控制等新技術(shù)為一體的、具有高效與潔凈特色的新電源。
[0003]但是，熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)隔膜在電池運(yùn)行過程中要保證有效的阻氣性能，必須具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。在熔融碳酸鹽燃料電池的啟動和運(yùn)行過程中，隔膜會受到各個(gè)部件熱膨脹引起的機(jī)械應(yīng)力和隔膜與熔鹽電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力。為了防止隔膜在啟動運(yùn)行過程中出現(xiàn)內(nèi)部裂紋，研究者們向隔膜內(nèi)添加Al2O3大顆粒、Al2O3纖維、棒狀Y-LiAlO2以及低熔點(diǎn)Al金屬粉末等來增強(qiáng)隔膜顆粒間的結(jié)合力，從而增強(qiáng)隔膜的抗應(yīng)力能力。但是，Al2O3大顆粒的加入，不能講隔膜增強(qiáng)至需要的強(qiáng)度，Al2O3纖維又不能在熔鹽電解質(zhì)環(huán)境中長期穩(wěn)定的存在，而且價(jià)格還較高，棒狀Y-LiAlO2的制備方法復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜及其制備方法，該電池隔膜具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，有效解決了隔膜在組裝過程中的易破裂問題，減小熔融碳酸鹽燃料電池的組裝難度，另外還提高了隔膜的孔隙率，增加了電解質(zhì)的保有量，進(jìn)而增加了電池壽命。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，包括多孔金屬材料2，分別設(shè)置在多孔金屬材料2上部和下部的一層上隔膜I和一層下隔膜3，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)；還包括使用時(shí)，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)的上部和下部設(shè)置的表面隔膜4，所述上隔膜1、下隔膜3和表面隔膜4均采用傳統(tǒng)的隔膜漿料制備而成。
[0007]所述多孔金屬材料2的孔隙率為70?80%，孔徑范圍為10?150μπι，厚度為
0.05 ?0.2mm。
[0008]所述表面隔膜4的孔徑范圍為0.1?I μ m。
[0009]所述電池隔膜的整體孔隙率為40?70%。
[0010]上述所述的一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的制備方法，包括如下步驟:
[0011]步驟1:首先將傳統(tǒng)的隔膜漿料采用帶鑄法制備成膜，作為上隔膜I使用；
[0012]步驟2:將預(yù)先壓制好的多孔金屬材料2放置在上述上隔膜I之上，直至上隔膜I完全干燥，制備成金屬-隔膜一體式結(jié)構(gòu)；
[0013]步驟3:再次將傳統(tǒng)的隔膜漿料采用帶鑄法制備成膜，將所制備的金屬-隔膜一體式結(jié)構(gòu)采用金屬面朝下的方式放置于下隔膜3之上，直至下隔膜3完全干燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)；
[0014]步驟4:使用時(shí)，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)裁剪成所需形狀，并在其上部和下部分別熱壓一層采用傳統(tǒng)的隔膜漿料制備而成的表面隔膜4，形成電池隔膜。
[0015]所述傳統(tǒng)的隔膜漿料采用粒度范圍為0.1?10 μ m的LiAlO2粉料與溶劑、分散劑、消泡劑、粘結(jié)劑和增塑劑混合球磨均勻制備而成。
[0016]所述多孔金屬材料(2)為采用孔隙率70?80%的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機(jī)上10t壓力下研制成厚度為0.05?0.2mm的金屬薄片。
[0017]本發(fā)明制備方法簡單，且制備的電池隔膜具有多孔金屬材料支撐層，多孔金屬骨架鑲嵌于隔膜的中間，可以起到增加隔膜抗壓能力，同時(shí)還可以在電池運(yùn)行過程中儲存更多的電解質(zhì)，支撐層兩側(cè)均覆蓋有LiAlO2隔膜材料；因此具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，有效解決了隔膜在組裝過程中的易破裂問題，減小熔融碳酸鹽燃料電池的組裝難度，另外還提高了隔膜的孔隙率，增加了電解質(zhì)的保有量，進(jìn)而增加了電池壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明使用時(shí)，將隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)制備成電池隔膜的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，包括多孔金屬材料2，分別設(shè)置在多孔金屬材料2上部和下部的一層上隔膜I和一層下隔膜3，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)；還包括使用時(shí)，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)的上部和下部設(shè)置的表面隔膜4，所述上隔膜1、下隔膜3和表面隔膜4均采用傳統(tǒng)的隔膜漿料制備而成。
[0022]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述多孔金屬材料2的孔隙率為70?80%，孔徑范圍為10?150 μ m,厚度為0.05?0.2_。
[0023]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述表面隔膜4的孔徑范圍為0.1?I μ m。
[0024]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述電池隔膜的整體孔隙率為40?70%。
[0025]上述所述的一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的制備方法，包括如下步驟:
[0026]步驟1:用粒度范圍在0.1?1ym之間a-LiAlO2顆粒作為隔膜粉料，采用蒸餾水作為溶劑，乳酸作為分散劑，聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，甘油和三乙酸甘油酯作為增塑劑，聚醚作為消泡劑，混合球磨24小時(shí)形成均一的隔膜漿料，然后采用帶鑄法制備成膜，作為上隔膜I使用；制備時(shí)，上述各組分的含量按公開專利CN97111018.2進(jìn)行配比。
[0027]步驟2:采用孔隙率80 %的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機(jī)上10t壓力下研制成0.1 μ m金屬薄片，然后將其鋪展在上述隔膜I之上，直至上隔膜I完全干燥，制備成金屬-隔膜一體式結(jié)構(gòu)；
[0028]步驟3:再次采用步驟I所述方法制備成膜，作為下隔膜3使用，將步驟2所制備的金屬-隔膜一體式結(jié)構(gòu)采用金屬面朝下的方式放置于下隔膜3之上，直至下隔膜3完全干燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)；
[0029]步驟4:使用時(shí)，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)裁剪成所需形狀，并在其上部和下部分別熱壓一層采用步驟I所述方法制備成膜形成的表面隔膜4，形成電池隔膜。
[0030]經(jīng)過壓汞測試，電池隔膜的總體孔隙率為68%，平均孔徑為0.4μπι時(shí)，達(dá)到電池對隔膜各項(xiàng)性能參數(shù)要求。
[0031]將上述制備的電池隔膜放置于電池端板之間進(jìn)行預(yù)組裝實(shí)驗(yàn)，將組裝壓力升高至20t后保持5分鐘，然后對隔膜進(jìn)行查看，隔膜完好無損，沒有出現(xiàn)破裂，說明本發(fā)明方法制備的電池隔膜具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，完全滿足大組裝壓力下熔融碳酸鹽燃料電池的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特征在于:包括多孔金屬材料(2)，分別設(shè)置在多孔金屬材料(2)上部和下部的一層上隔膜(I)和一層下隔膜(3)，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)；還包括使用時(shí)，在裁剪成所需形狀的隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)的上部和下部設(shè)置的表面隔膜(4)，所述上隔膜(I)、下隔膜(3)和表面隔膜(4)均采用傳統(tǒng)的隔膜漿料制備而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特征在于:所述多孔金屬材料⑵的孔隙率為70~80%，孔徑范圍為10~150 μ m，厚度為0.05~0.2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特征在于:所述表面隔膜⑷的孔徑范圍為0.1~I μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜，其特征在于:所述電池隔膜的整體孔隙率為40~70%。
5.權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度熔融碳酸鹽燃料電池隔膜的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:首先將傳統(tǒng)的隔膜漿料采用帶鑄法制備成膜，作為上隔膜(I)使用； 步驟2:將預(yù)先壓制好的多孔金屬材料(2)放置在上述上隔膜(I)之上，直至上隔膜 (I)完全干燥，制備成金屬-隔膜一體式結(jié)構(gòu)； 步驟3:再次將傳統(tǒng)的隔膜漿料采用帶鑄法制備成膜，將所制備的金屬-隔膜一體式結(jié)構(gòu)采用金屬面朝下的方式放置于下隔膜(3)之上，直至下隔膜(3)完全干燥，形成隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)； 步驟4:使用時(shí)，將上述隔膜-金屬-隔膜一體式復(fù)合結(jié)構(gòu)裁剪成所需形狀，并在其上部和下部分別熱壓一層采用傳統(tǒng)的隔膜漿料制備而成的表面隔膜(4)，形成電池隔膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述傳統(tǒng)的隔膜漿料采用粒度范圍為0.1~10 μ m的LiAlO2粉料與溶劑、分散劑、消泡劑、粘結(jié)劑和增塑劑混合球磨均勻制備--? 。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述多孔金屬材料(2)為采用孔隙率70~80%的泡沫鎳作為金屬骨架，在油壓機(jī)上10t壓力下研制成厚度為0.05~0.2mm的金屬薄片。
【文檔編號】H01M2/16GK104078634SQ201410304915
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】許世森, 王鵬杰, 程健, 張瑞云, 任永強(qiáng) 申請人:中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司